Contexte
Les quantités atmosphériques naturelles de dioxyde de carbone, un gaz incolore, varient entre 0 et 5 %. Il se compose de trois atomes : une molécule linéaire sans moment dipolaire net est formée de deux atomes d'oxygène liés à un atome de carbone. Il est formulé de la manière suivante : (1) les créatures aérobies, telles que les humains et les animaux, le produisent principalement lors de la respiration. Néanmoins, il peut également être généré lors de la combustion ou de la décomposition microbienne des déchets organiques (2), la combustion de combustibles fossiles, notamment le charbon, le pétrole, l'essence et le gaz naturel, produit la majeure partie des émissions anthropiques, et (3) selon le(s) produit(s) visé(s), le CO2 peut être utilisé directement en le convertissant en produits chimiques par diverses voies catalytiques, en plus d'être utilisé dans des processus industriels tels que la fabrication de ciment ou de soude (s).
Méthodes d'utilisation du dioxyde de carbone
Il est possible de convertir le dioxyde de carbone en composés chimiques de valeur en utilisant différentes techniques. La conversion thermocatalytique à haute température, la conversion microbienne à l'aide de souches de bactéries modifiées, la réduction électrochimique directe à l'aide de sources d'énergie renouvelables, la réduction photocatalytique à l'aide de la lumière du soleil, les conversions enzymatiques à médiation mitochondriale à l'aide d'enzymes extraites de cellules vivantes, la chimie organique synthétique à l'aide de réactifs organométalliques avec des métaux de base tels que les catalyseurs cuivre ou fer et les réactions assistées par enzyme à l'aide de biocatalyseurs sont quelques-unes de ces techniques. Chaque technique présente des avantages uniques en fonction des catégories de produits visées, du taux de production, de la consommation d'énergie, etc.
L'application directe de l'électricité aux molécules de CO2 les transforme en ions formate, qui peuvent interagir avec d'autres molécules pour générer des composés utiles tels que le méthanol et l'éthanol. Ce processus est connu sous le nom de conversion électrochimique directe. Cette approche élimine toutes les émissions de gaz à effet de serre liées à son utilisation en recourant à des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et solaire au lieu des combustibles fossiles conventionnels, ce qui en fait un choix intéressant, compte tenu des préoccupations actuelles concernant le changement climatique mondial. En outre, cette méthode est plus abordable que les autres méthodes actuellement disponibles, car elle permet d'obtenir des taux d'utilisation proches de 100 % et ne nécessite que peu de matériaux catalytiques. Toutefois, certains problèmes doivent encore être résolus avant que cette option puisse être considérée comme commercialement viable, en raison de la lenteur des vitesses de réaction par rapport aux techniques photocatalytiques et des problèmes d'évolutivité limités liés à la taille du réacteur nécessaire pour atteindre les niveaux de production à grande échelle exigés par les normes industrielles actuelles.
Réduction photocatalytique: En utilisant l'énergie lumineuse et des catalyseurs tels que les nanocristaux d'oxyde de titane dopés avec divers oxydes de métaux de transition, tels que l'argent, le cobalt, l'oxyde de zinc, etc., la réduction photocatalytique convertit les molécules de CO2 en ions formate, si elle est appliquée à un potentiel cathodique, ou en radicaux hydroxyle, si elle est appliquée à un potentiel anodique. Ces deux produits ont un large éventail d'utilisations dans diverses industries, allant des solvants aux produits chimiques. Étant donné que cette méthode ne nécessite qu'une source lumineuse plutôt qu'un chauffage thermique traditionnel, elle constitue une option intéressante pour réaliser des synthèses photochimiques dans des contextes qui ne s'y prêteraient pas autrement, tels que la production de petits lots ou les laboratoires où l'espace et les ressources sont limités, respectivement. Cette méthode offre également une flexibilité inégalée.
L'ingénierie de certaines souches bactériennes pour absorber directement les gaz dissous dans l'environnement, comme l'air, et les transformer en métabolites précieux, comme les acides gras, est connue sous le nom de "conversion microbienne". Sans substrats externes supplémentaires, cette méthode est plus performante que les autres en termes de coûts, car il n'est pas nécessaire d'acheter des réactifs supplémentaires ; au lieu de cela, des cultures spécialisées peuvent être cultivées à peu de frais sur la propriété d'une personne et utilisées efficacement dans le contexte. Et grâce aux améliorations des technologies de manipulation génétique, même les réactions complexes en plusieurs étapes peuvent désormais produire des composés cibles aux niveaux souhaités, rapidement et avec précision, ce qui garantit que les opérations de contrôle de la qualité se dérouleront sans interruption dans un avenir prévisible pour les projets ultérieurs. Les chercheurs utilisent de plus en plus les technologies de manipulation génétique pour créer de nouveaux médicaments et traitements. Pour garder une longueur d'avance sur la concurrence et conserver un avantage compétitif en matière d'avancées scientifiques, le marché mondial du secteur des soins de santé, qui connaît une croissance rapide, a besoin d'un volume de recherche toujours plus important.
Conversion thermocatalytique : La thermocatalyse est l'application de la chaleur à un mélange contenant à la fois de l'hydrogène et du monoxyde de carbone pour produire des hydrocarbures liquides semblables aux fractions du pétrole, mais d'une qualité beaucoup plus pure que le pétrole brut standard obtenu aujourd'hui sur les sites d'extraction de combustibles fossiles. Il est ainsi possible d'accéder à des produits finis précieux que le secteur du raffinage aurait du mal à obtenir ailleurs. La synthèse des polymères est rendue possible par la thermochimie : polyols, plastiques, caoutchouc, mousses, adhésifs, produits d'étanchéité, colles et revêtements. Les textiles, les fibres et les matériaux composites sont utilisés dans diverses industries, notamment les cosmétiques, l'emballage, la transformation des aliments, l'ingénierie automobile, la construction de bâtiments, l'agriculture et l'aérospatiale. C'est pourquoi ils gagnent rapidement en popularité et sont à la pointe de l'industrie technologique à l'échelle mondiale. Les conversions enzymatiques à médiation mitochondriale impliquent l'extraction d'enzymes de cellules vivantes, en particulier de mitochondries, et leur transfert dans un autre milieu où elles transforment des intermédiaires réactifs, pour finalement former un produit final désigné point prédéterminé de la voie résultent de la génération de métabolites intermédiaires précieux de multiples composés commensaux. L'acide lactique, l'acétoïne, le glycérol et l'alcool acétique succinique piperonylique succinique malique tartrique fumarique glutaraldéhyde, 2-hydroxybenzoate, acide phénoxyacétique et 2-méthylphénoxyéthanol ne sont que quelques-uns des composés qui peuvent être extraits avec une précision et une pureté encore meilleures à des prix réduits, ce qui constitue une valeur ajoutée.
Cependant, contrairement à la méthode d'électrochimie directe, les conversions mitochondriales ont une cinétique plus lente, ce qui signifie qu'il faut plus de temps pour que le cycle se termine avant d'atteindre le point final. Cela peut réduire la capacité de traitement réelle. Dans certaines circonstances, des temps de réponse plus rapides sont nécessaires. Veiller à ce que le produit final soit livré à la date prévue et dans les délais promis aux clients. Avant de commencer le projet, il s'agit d'un facteur crucial pour éviter toute déception qui pourrait entraîner des retards susceptibles de coûter de l'argent à l'organisation ou de nuire à long terme à sa réputation, à la notoriété de sa marque et à sa part de marché.
Chimie organique de synthèse : La création de réactifs organométalliques composés de métaux de transition, de ligands et de structures de support pour produire une stéréosélectivité favorable est connue sous le nom de chimie organique synthétique ou "organométallique". Par rapport à d'autres paramètres du cours, chaque cas doit être pris en compte pour identifier de manière adéquate les meilleures conditions optimales de fonctionnement dans le contexte, afin de garantir une efficacité maximale. La chimio-régiosélectivité au cours des transformations permet de réaliser facilement et rapidement des formations sélectives de groupes fonctionnels à des positions spécifiques des molécules. Réduire au minimum le gaspillage de main-d'œuvre, de matériaux et de ressources tout en accordant une priorité élevée à l'équipement du personnel de sécurité. Se rappeler, à chaque étape de la phase d'exécution du projet, y compris la livraison des clients de la manière la plus réussie possible, malgré les obstacles rencontrés et les circonstances imprévues.
Exemples de synthèse chimique à partir du dioxyde de carbone (CO2)
- Synthèse du méthanol : La méthode Monsanto, qui comprend l'interaction du dioxyde de carbone avec l'hydrogène en présence d'un catalyseur cuivre-zinc, peut créer du méthanol à partir du dioxyde de carbone. La production de méthanol à partir de dioxyde de carbone peut être réalisée en le mélangeant avec de l'hydrogène sur un catalyseur approprié à des températures et des pressions élevées (par exemple, 400-430 °C et 10-20 bar). Le terme "méthanation" s'applique également à ce processus.
- Production d'acide formique : En utilisant une cellule électrochimique et un catalyseur palladium-cuivre, l'acide formique peut être produit à partir de dioxyde de carbone et d'hydrogène.
- Conversion en sels d'oxalate : Le dioxyde de carbone peut également être transformé en sels d'oxalate par des procédés chimiques faisant intervenir des composés de bore et d'aluminium tels que le borax ou l'hydrate d'alumine et d'autres acides, notamment l'acide chlorhydrique ou l'acide sulfurique.
- Les polycarbonates sont fabriqués en combinant le phosgène avec des alcools dihydriques comme l'éthylène glycol en présence de catalyseurs comme le tétrachlorure d'étain ou le chlorure de zinc. Cela provoque des réactions de polymérisation qui aboutissent à des polymères principalement constitués de molécules de dioxyde de carbone reliées par des atomes d'oxygène (c'est-à-dire des polycarbonates).
- Synthèse de l'acide carbonique : Dans un catalyseur tel que l'acide sulfurique ou l'acide phosphorique, le dioxyde de carbone et l'eau se combinent pour former l'acide carbonique. Le résultat peut donner des composés tels que l'urée et les formats.
- Synthèse de l'éther diméthylique : Le diméthyléther (DME) est un autre composé important qui peut être produit à partir du dioxyde de carbone en utilisant des catalyseurs pour la synthèse du méthanol et un agent de reformage, tel qu'un mélange de CO2/H2O ou de CO/H2, à des températures comprises entre 350 et 400 °C et à des pressions allant jusqu'à 20 bars pour la conversion du gaz de synthèse en DME.
- Production de polycarbonate : En raison de leur solidité, de leur durabilité, de leur transparence, de leur résistance à la chaleur et de leurs qualités d'isolation électrique, les polycarbonates sont souvent utilisés dans des applications industrielles. Ils sont généralement fabriqués en transestérifiant le bisphénol avec le phosgène, créé lorsque le dioxyde de carbone réagit avec le gaz chloré ou une solution d'acide chlorhydrique à une température élevée (200-300 °C).
- La synthèse du carbonate de diméthyle (DMC) est un processus utilisé pour produire le composé chimique carbonate de diméthyle. Elle consiste à faire réagir le méthanol avec du phosgène ou du dioxyde de carbone en présence d'un catalyseur basique tel que l'hydroxyde de potassium ou l'hydroxyde de sodium. La réaction produit du carbonate de diméthyle et du chlorure d'hydrogène, qui est ensuite éliminé du mélange par distillation. Le carbonate de diméthyle peut être utilisé comme alternative à l'éthylène glycol dans les formulations antigel pour l'automobile et l'aviation, ainsi que pour de nombreuses autres applications, notamment les solvants, les plastifiants, les propulseurs et les carburants.
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